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第八届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告 智慧型低价位自动化滴灌系统
智能型低价位自动化滴灌系统

【作者: 義守大學】2014年10月29日 星期三

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摘要


滴灌系统是引领传统农业转向现代化农业深刻变革的重要系统设计,是促进农业生产转型、提升农业现代化水准、促进农业增产和节省水资源的重要设施。目前国家农业政策是农地再生、科技导入农业生产和经营规模逐步加广与加深。处于现代化农业的转型时期,高效能、低价位和简易实用的滴灌系统必须被强力地引入农业高科技社会,以便结合规模化经营和大、小农生产同时存在的农业社会经济条件。


本创意设计是以盛群半导体公司所开发的HT66F50做为整体控制核心,搭配功能完善的人机介面,并集合温度、湿度和光强等三种环境感测器,依照感测器所获得的数值自动改变滴灌系统的出水量和微喷雾系统的运作,进而在不影响农作物生长的情况下,将有限的水资源做到最大限度的使用则是本创意设计之主旨。


本创意设计兼具「智慧型」、「低价位」和「自动化」的特点,适合推广至各个农业用户;包括高科技农业、植物工厂、沙漠绿化和特殊栽培控制。


1. 前言


台湾在50年代即享有农业大国的美名。近年来台湾也积极转向高科技农业,主要原因除了农业改革之外,另一原因即是台湾水资源面临严重不足。台湾地狭人稠,导致每人每年所分配雨量仅及世界平均值之七分之一,使得情况岌岌可危。未来人口的增加以及经济活动的扩张,将使得许多国家陷入缺水的困境。如果要说二十世纪是石油战争的世纪,那么二十一世纪极有可能成为水资源战争的世代。因此,节水系统的开发势在必行。


在面临水资源匮乏的情况下衍生出许多解决方式,如抽取地下水。但过度抽取地下水会导致地层下陷,除了容易造成雨季淹水之外,临海地区也会出现海水倒灌的危机。有鉴于此厂商纷纷引进节水系统,但多数节水系统皆属于手动或半自动系统,在使用上极度不方便。因此,本设计将系统升级至全自动化以克服操作上的问题。此外,传统滴灌系统多采用固定的出水量,微喷雾系统亦采固定模式,但这无法满足复杂多变的气候环境。因此,本设计采用温度、土壤湿度和光强等三种感测器,并依照感测器所获得之实际环境参数,改变滴灌系统的出水量和微喷雾系统之运作,进而规划出完美的滴灌比例,以克服日渐加剧的极端气候。


就销售层面而言,热销产品是要人人买得起,各个都会用。但隔行如隔山,且经济效益挂帅的背景之下,在系统控制与经费负担都必需尽量理想。因此,本设计之高效能与低价位应互相兼顾。


HT66F50是个多才多艺的MCU,将优秀的演算法加诸其上,有如猛虎添翼。可以有效增加产品的附加价值,并提升其市场竞争力。


2. 工作原理


本创意设计以盛群半导体公司所开发的HT66F50做为整体核心。搭配功能完善的人机介面和温度、土壤湿度和光强等三种感测器以及滴灌系统和微喷雾系统。依内部规划,在不影响农作物生长的情况下,将有限的水资源做到最大限度的使用。


温度高低影响农田水分的蒸散、土壤湿度影响农作物成长和太阳光强影响植物行光合作用导致的水分散失,以上表明了温度、土壤湿度和光强必须有精确的量测和控制。使用精准的感测器以侦测环境细微变化是不可避免的。感测器为一物理装置,能侦测外界讯号、物理条件和化学成分,并将探知的讯息传递给其他装置,主要用于自动控制工程和维安设备上。但在科技不发达的年代,物理量的量测方法大多以不精确的方式推估,使得在认定上欠缺公信力。随着科技日渐发达,元件制作技术逐渐精密化,越来越多的感测器逐渐被开发。本创意设计针对空气中的温度、土壤中的湿度和太阳光的光强进行侦测,并将测得的类比讯号经由类比-数位转换介面转换成数位讯号,依此作为周边系统驱动之依据。由于不同使用者对于环境侦测与系统功能各有所需。因此,本创意设计特别预留四组A/D通道,以利日后依地区或特殊功能之需求进行客制化量产。


周边系统运作主要以温度转换值(VT)、土壤湿度转换值(VW)和光强转换值(VL)等三值进行规划,进而获得温度状态判断式(KT)、土壤湿度状态判断式(KW)和光强状态判断式(KL)。经多次实验及统计后,获得可行之滴灌系统PWM计算公式。公式一为温度状态判断式、公式二为土壤湿度状态判断式、公式三为光强状态判断式、公式四为滴灌系统PWM计算公式。


图一
图一

本创意设计依使用地区不同预先设定10种作物种类,但碍于篇幅关系在此以玉米、小麦和稻米等作为范例。由于多功能的需求一直是市场主流,但农作物的种类相当繁杂,单一系统并无法整体概括。因此,除了预先设计的灌溉模式,另行规划自订滴灌模式。除了解决多样性农作物的滴灌问题,亦可提供农民将自身农务经验化为实际滴灌数据,依此满足不同农民和不同作物之需求。


2.1 玉米滴灌模式


玉米的产地分布甚广,其主要原因为对于灌溉要求不高,即使极低的灌溉水量亦可使其顺利生长。虽然极少水分即可顺利成长,但过多的水分亦容易​​使其产生病虫害,如:锈病、纹枯病、媒纹病和露菌病等。故应注意排水问题以及通风问题。因此规划以下参数。表1为玉米滴灌参数对应表。


图二
图二

2.2 小麦滴灌模式


小麦属温带作物,主要产地分布于北纬30度至60度;南纬27度至40度之间。全生育期间麦田内不宜有积水状态,所以灌溉时应注意切勿积水,如欲降雨多时应注意排水。因土壤太过潮湿容易导致吸收养分及行光合作用受阻。若再遇高温容易发生蚜虫为害及诱发白粉病、锈病等病害。因此规划以下参数。表2为小麦滴灌参数对应表。


2.3 稻米滴灌模式


稻米属于热带作物。主要产地分布于东南亚,其主要原因在于对水的依赖性极高,需要大量的灌溉用水。虽然稻米对于水的依赖性极高,但亦须注意通风的问题,否则会产生稻纹枯病之病害。因此规划以下参数。表3为稻米滴灌参数对应表。


2.4 自订滴灌模式


本创意设计虽然可以达到灌溉最佳化的效果,但世界上的农作物种类不在少数,并非单一系统可以整体概括。因此,除了玉米、小麦和稻米三种主要作物之灌溉模式外,另外规划自订滴灌模式。除了解决多样性农作物的滴灌问题,亦可提供农民将自身农务经验化为实际滴灌数据,依此满足不同农民之需求。表4为自订滴灌参数对应表。


3. 作品结构


本创意设计结构主要针对硬、软体两大部份分别讨论。在此主要阐明HT66F50在电路中与各系统间之相互关系、其I/O接脚配置说明和硬体架构之描述。再透过系统流程图与程式演算法,借此说明系统之软体设计概念。


3.1 硬体结构


本创意设计使用盛群半导体公司所开发的HT66F50做为整体核心。它是一颗8位元的A/D型MCU,符合工业上-40度85度工作温度和高抗杂讯之性能要求。硬体方块图包含:电源供应系统、人机介面、温度感测模组电路、土壤湿度感测模组电路、光强感测模组电路、备用感测器模组电路、滴灌系统控制电路、微喷雾系统控制电路和灌溉进行指示电路。整体系统之供电由电源供应系统产生5V和12V。其中5V供MCU、感应器和周边IC使用,12V供给滴灌系统与微喷雾系统使用。图1为硬体方块图。


图三
图三

3.1.1 脚位设定


本系统采用一颗HT66F50来当作系统主控制机,分配本系统所需进行工作。令HT66F50之众I/O各司其职,从事特定工作。


以Port A之0~3分别做为温度、土壤湿度、光强和水位等四种感测器之传输脚位,并将


Port A之4~7做为感测器预备脚位。 Port B 0~3作为按键,Port B 4做为蜂鸣器传输脚位,


Port B 5做为微喷雾系统驱动脚位。 Port C 0~7和 Port D 0~2作为LCM传输脚位。 Port D 3 做为滴灌系统驱动脚位。图2为HT66F50脚位分配图。


3.1.2 人机介面


人机介面是仪器和使用者的沟通桥梁。本创意设计使用SAG12864E8FXID液晶显示器模组做为人机互动介面,并具傻瓜功能及操作方式,即使是乡村农民也可以在极短时间内学会使用本产品。图3为液晶显示器模组图;表5为液晶显示器模组脚位对应图。


3.1.3 蠕动泵浦


蠕动泵浦是利用马达轴承带动三个滚轮,连续对软管进行挤压动作,如同以手指依序挤压软管,软管内的流体即向前移动。本创意设计以「滴灌系统PWM计算公式」获得Duty Cycle,依此驱动滴灌系统。图4为蠕动泵浦运作原理图、图5为蠕动泵浦驱动电路。


3.1.4 微喷雾系统


微喷雾系统是以MCU提供讯号给N型电晶体控制继电器之开关状态,依此达到驱动微喷雾系统。此以蠕动马达做为微喷雾系统之水源供给。图6为微喷雾系统电路图。


图四
图四

3.1.5 温度感测器


本创意设计所采用的温度感测器为LM35DZ,其工作电压为4V~20V,感测范围为0℃~100℃,输出电压与摄氏温度呈线性关系,是一种被广泛使用的温度传感器。图7为LM35DZ温度电流曲线图。


图五
图五

3.1.6 土壤湿度感测器 & 水位感测器


本创意设计所采用的土壤湿度感测器和水位感测器同为YL-38,其工作电压为3.3V~5V,可精确的获得土壤湿度值。图8为土壤湿度感测器电路图。


3.1.7 光强感测器


本创意设计所采用的光强感测器为BH1620FVC,其工作电压为2.4V~5.5V,并三段式控制电流输出增益。主要侦测可见光之光强。图9为光强感测器电路图、表6为光强感测模式对照表、表7为光强感测电压光强转换公式表。



图六
图六

3.2 软体结构


本创意设计之开发有赖于 HT66F50 丰富的可程式化硬体,如I/O、Timer、ADC…等等。上电后开始初始化,先判断系统工作状态并且显示状况。由人机介面执行傻瓜式动作,紧接着执行所选的灌溉模式。每一灌溉流程系统皆会给予灌溉进行指示和灌溉状态报告。


开机初始化后立刻进入灌溉模式选单,本创意设计提供「玉米、小麦、稻米和自订」等四种不同灌溉模式。确定执行模式后系统依序执行三种感测器之A/D转换,系统依此微调滴灌参数和控制微喷雾系统运作。执行滴灌模式时系统持​​续依水位感测器判断供水系统是否异常,并提供相关资讯,以利使用者排除障碍和保护系统。离开滴灌模式后系统再次询问是否执​​行其他模式,欲执行其他模式则再次进入模式选单,若不执行则结束。图10为系统流程图。


图七
图七

4. 系统测试


本创意设计在系统测试主要以温度、土壤湿度和光强三种感测器模组以及滴灌系统和微喷雾系统进行测试。下列即为本创意设计重要功能之系统测试报告。图11为介面介绍图。


图八
图八

4.1 温度感测模组测试


温度感测器的测试方法是利用不同环境温度摄氏25℃和28℃,将感测器所测得之值与感测仪进行比对,依此确定感测器之精准性。图12为环境温度25℃之比较图、图13为环境温度28℃之比较图。


4.2 土壤湿度感测模组测试


由于本开发环境内并未配备土壤湿度检测仪,且市售检测仪过于昂贵,在经费有限的情况下,测试方法较为简便。测试方式以干土(0%)为对象,以针筒慢慢加水模滴灌系统,并观察开发程式(HT-IDE)中ADRH和ADRL之值,直至ADRH和ADRL值达到最大值3FF (100% )。图14为土壤湿度0%图、图15为土壤湿度100%图。


图九
图九

4.4 滴灌系统测试


滴灌系统之测试方式为改变测试环境达到Duty Cycle=50%和Duty Cycle =100%驱动滴灌系统,观察滴灌出水量之变化,依此确认PWM和滴灌出水量之相对关系。图18为Duty Cycle = 50%之滴灌图、图19为Duty Cycle = 100%之滴灌图。


4.5 微喷雾系统测试


微喷雾系统驱动条件为滴灌模式启动后每五分钟撷取温度,在第二十五分钟时将五点温度平均,判断是否达到预设之微喷雾系统启动五分钟之条件。25℃)和"因此,测试方式为在开发程式(HT-IDE)下之滴灌模式运行后取得平均温度之时设立中断点,并观察平均温度是否达到预设之微喷雾系统启动条件(平均温度25℃)和喷雾系统是否正确启动。图20为五点温度与五点平均温度。图21为微喷雾系统启动状态。



图十
图十

5. 结论与讨论


经过一系列的测试和实验,一套以「智慧型」、「低价位」和「自动化」为特点的农业用灌溉节水系统已成功被开发。透过HT66F50的丰沛硬体资源和使用弹性,搭配各种模组的精巧控制,用水量仅只传统灌溉用水的30%。实际体验后感觉十分满意,是一个成功的产品。


由于开发时间不足、特殊设备无法取得再加上经费有限的情况下,许多外部装置无法完整呈现。如:灌溉用水的检测。未来农民可以更轻松的管理作物。沙漠绿化之特殊栽培运用层面更加广阔,有效提升高科技农业之发展。


本产品将会对农业用灌溉节水系统掀起一场革命性的改变,市场竞争力和经济效益将无可限量。


6. 参考文献


1.钟启仁 HT66Fxx Flash MCU原理与实务​​-组合语言篇 全华图书股份有限公司 2010


2.郑世政 自动喷洒灌溉系统在景观方面应用之研究 国立台湾大学 2002


3.周洋 智能灌溉监控系统的设计与应用研究 武汉理工大学 2004


4.贺才良 自动灌溉控制器设计 邵阳学2010


5.迟天阳,杨方,果莉 节水灌溉中土壤湿度传感器的应用 东北农业大学 2006


6.http://www.holtek.com.tw/pdf/uc/ht66fx0v190.pdf


7.http://netafim-taiwan.myweb.hinet.net/drip%20tech.htm


(本文作者为义守大学电子工程学系汪?茂教授、李昱纬、张致豪、赵德铭、黄登冠)


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